CN101394200B - 一种零变频和自适应频率选择的电力线载波数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种零变频和自适应频率选择的电力线载波数据传输方法，通过设置IFFT的点数以及采样率可以灵活地将通信频带划分为若干个子载波；在进行IFFT变换前的载波分配时，调制数据只分配在对应于40kHz～500kHz的子载波上，其他子载波上的数据为零，从而保证实际应用的频率范围是40kHz～500kHz，无须进行频谱搬移。本地端通过接收对端发送的已知信号，可以计算出每个子载波的信道条件，选择信道条件好的子载波发送信号，弃用信道条件差的子载波。本发明可直接将信号调制到所需的传输频带和载波频率上，从而降低实现的复杂度；由于可自适应地选择信号传输频带。

Description

一种零变频和自适应频率选择的电力线载波数据传输方法

技术领域

本发明属于电力***通信技术领域，涉及一种电力线载波数据传输方法，尤其涉及一种零变频和自适应频率选择的电力线载波数据传输方法。

背景技术

电力线在传输电能量的同时可以用于通信已有悠久的历史，早在20世纪20年代人们就成功地利用输电线传输调度电话、远动、高频保护及其他监控***的信息。在40kHz～500kHz频带内进行的电力线载波(Power Line Carrier，PLC)通信是一种重要电力***通信方式。

电力线载波通信可利用的频带资源是40kHz～500kHz。传统的电力线载波数据传输方法都是窄带的，通信带宽小于4kHz，只适用于话音、远动和保护等低速数据传输。因此，现有的电力线载波数据传输方法未能充分利用频率资源，存在频带利用率低，传输速率低，支持的电网通信业务种类有限等缺点。而且，传统的电力线载波数据传输方法无法根据信道的变化灵活地选择信号传输频带和载波频率，只能预先选择信号传输频带和载波频率，并需要采用复杂的调制和变频技术，将信号频谱搬移到所需的载波频率上，实现复杂度较高。同时，由于电力线信道具有噪声、路径衰耗和时变特性，传统的电力线载波数据传输方法适应信道时变的能力较差，经常发生通信时断时通的现象，通信可靠性较低。

电力线载波通信技术通常采用单边带(Single Side Band，SSB)调制技术或频移键控(Frequency Shift Keying，FSK)调制技术，其对信道干扰的抑制能力有限。正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术是现在最流行的多载波调制技术，它把可用频带分成许多相互独立的窄带子信道，同时把串行的高速码流转换成低速的并行码流，用并行码流调制各子载波后同时发送，各子载波可以用相同或者不同的数字基带调制方法(BPSK、QPSK、QAM等)。

设OFDM符号周期为T，在一个周期内传输N个码元(C₀，C₁，C₂，......，C_N)，码元周期为Ts，T＝NTs，C_k为复数，第k个码元C_k调制第k个载波，合成的OFDM信号为：

$\begin{array}{cc}X\left(t\right)=\mathrm{Re}\left\{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{C}_k\left(e^{j2\mathrm{\π}{f}_{k}t}\right)\right\},& t\∈[0,T]\end{array}---\left(1\right)$

{f_k}是一组载波，满足f_k＝f₀+kΔf，k＝0，1，2，......，N-1；f₀为***的发射载频，f₀一般取1/T的整数倍；Δf为子载频间的最小间隔，一般取Δf＝1/T，则

$X\left(t\right)=\mathrm{Re}\left\{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{C}_k\left(e^{j2\mathrm{\π}(f_0+\frac{k}{T})t}\right)\right\}$

$=\mathrm{Re}\left\{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{C}_k\left(e^{j2\mathrm{\π}\frac{k}{T}t}\right)e^{j2\mathrm{\π}{f}_{n}t}\right\}---\left(2\right)$

$=\mathrm{Re}\left\{s\left(t\right)e^{j2\mathrm{\π}{f}_{0}t}\right\}$

X(t)的低通复包络为：

$s\left(t\right)=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{C}_k{e}^{j2\mathrm{\π}\frac{k}{T}t}---\left(3\right)$

以f_s＝1/T_s为采样频率对S(t)采样，t＝nT_s，则

$S_n=S\left(t\right){|}_{t=n{T}_s}$

$=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{C}_k{e}^{j2\mathrm{\π}\frac{k}{{\mathrm{NT}}_s}n{T}_s}---\left(4\right)$

$=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{C}_k{e}^{j2\mathrm{\π}\frac{k}{N}n}$

$=\mathrm{IDFT}\left(C_k\right),n=\mathrm{0,1,2}\mathrm{\ΛN}-1$

由于采样值{S_n}正是{C_k}的离散傅立叶反变换(Inverse Discrete FourierTransform，IDFT)，因此OFDM可以采用IDFT实现。实际应用中IDFT一般用快速傅里叶反变换(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)实现。在发送端，对{C_k}进行IFFT求得{S_n}，把{S_n}经过一截止频率为f_s/2的低通滤波器即得到所需的OFDM信号S(t)；在接收端，先对S(t)以f_s采样得到{S_n}，再对{S_n}求FFT即得到{C_k}。由于实际发送的是信号的实部，而共轭对称的信号的IFFT是实信号，因此实现时在IFFT之前，加入N个码元{C_k}的复共轭，取2N点IFFT即可得到Re{S_n}。

为了提高频谱利用率，OFDM允许子载波间部分频谱重叠。为了保证子载波间不相互干扰，OFDM在进行子载波设置时需要满足正交性条件，即子载波间的最小频率间隔等于符号周期倒数的整数倍。这样在接收端采用变频和积分的手段就可以有效地分离出各子载波上的信号。OFDM多载波并行传输还可以有效克服电力线信道引起的多径效应和频率选择性衰减等。

本发明提出了一种基于OFDM多载波调制技术的电力线载波通信的基带处理***的技术方案。在此基础上，发明了一种零变频和自适应频率选择的电力线载波数据传输方法。

发明内容

1、发明目的

本发明针对现有技术的不足，提出了一种零变频和自适应频率选择的电力线载波数据传输方法。用以解决传统的OFDM***在经过IFFT变换后还需要进行复杂的变频调制以实现频谱的搬移以及带宽利用率不足的问题

2、技术方案

为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的电力线载波通信的基带处理***采用OFDM多载波调制技术，基带处理***包括导引帧(P)、同步帧(S)和数据帧(D)三种，发送过程为周期性地先发送一系列导引帧，然后是一个同步帧，紧跟其后是一系列数据帧，如图1所示。

本发明包括以下步骤：

其中信号的发送步骤为：

1)导引帧和同步帧分别由导引序列和同步序列经载波分配和IFFT来实现OFDM多载波调制；

2)用户数据经过计算校验比特后得到校验数据，它和用户数据一起与一个伪随机(Psudo Random，PN)码进行异或运算后完成置乱，然后经过里德所罗门(Reed-Solomon，RS)外码编码、交织编码、卷积码内码编码、差分正交相移键控(Differential Quadrature Phase Shift Keying，DQPSK)调制、载波分配和IFFT后实现了数据帧的OFDM多载波调制；

3)通过在这些上述导引帧、同步帧和数据帧之间添加CP实现帧与帧之间的连接组合，形成信号波形的样值；

4)这些样值经过数模转换器(Digital Analogy Converter，DAC)后得到模拟信号，再经过功率放大器和耦合保护电路，放大后的模拟信号就被发送到了电力线上；

其中，信号的接收步骤为

5)电力线上的信号经过耦合保护电路后进入电压增益放大器(Voltage GainAmplifier，VGA)，然后通过模数转换器(Analogy Digital Converter，ADC)实现数字采样，再经过FFT后，信号被变换到频域；

6)进行导引确定，帧定时恢复及调整、同步确定、信道估计/频域均衡，并通过自动增益控制(Auto Gain Control，AGC)算法控制VGA来实现放大增益的自动调整；

7)经过Viterbi度量计算，Viterbi译码、去交织、RS译码、与PN码进行异或的解乱操作，循环冗余码校验(Cyclic Redundancy Check，CRC)，得到用户数据输出和校验的结果，送到控制模块进行处理。

2、根据权利要求1所述的一种零变频和自适应频率选择的电力线载波数据传输方法，其特征在于，上述步骤2)中载波分配和IFFT进一步采用以下方式：

1)零变频的实现方式：通过设置IFFT的点数以及采样率可以灵活地将通信频带划分为若干个子载波；在进行IFFT变换前的载波分配时，调制数据只分配在对应于40kHz～500kHz的子载波上，其他子载波上的数据为零，从而保证实际应用的频率范围是40kHz～500kHz，无须进行频谱搬移；

2)自适应频率选择的实现方式：本地端通过接收对端发送的已知信号，可以计算出每个子载波的信道条件，选择信道条件好的子载波发送信号，弃用信道条件差的子载波。

3、根据权利要求2所述的一种零变频和自适应频率选择的电力线载波数据传输方法，其特征在于，设置的IFFT点数为1024点。

本发明进一步的优选方式为，在产生数据帧的步骤中，即上述步骤2)中，进一步采用以下方式：

在0～511kHz范围内进行1024点IFFT，即将其划分为512个子载波，各个相邻子载波之间间隔1kHz，在进行IFFT变换前的载波分配时，调制数据只分配在对应于40kHz～500kHz的子载波上，其他子载波上的数据为零，从而保证实际应用的频率范围是40kHz～500kHz，而且无须进行频谱搬移。

对端通过发送导引帧信号，本地端进行信道估计，选择好可使用的子带，这样本地端DQPSK调制数据在载波分配时，只分配在40～500分支(bins)范围内可使用的子带上，即，如果某频带无法使用，可更换为其他频带，并且可根据不同业务数据传输速率，选择最大传输容量的可用频隙。

3、有益效果

本发明利用零变频技术，无需将信号进行频谱搬移，通过OFDM调制方法，可直接将信号调制到所需的传输频带和载波频率上，从而降低实现的复杂度；由于可自适应地选择信号传输频带，因此，该实现方法可为不同数据传输速率的业务提供支持。

附图说明

图1是基带处理***的帧结构图

图2是OFDM基带发送步骤流程图

图3是OFDM基带接收步骤流程图

图4是基带处理器***实现框图

具体实施方式

TMS320VC5509是TI公司针对通信应用推出的中高档16位定点DSP系列器件。该器件具有较高的性价比，功能强大、灵活，与C54系列指令集兼容。速度可达：288MIPS/400MIPS。可由两片TI公司的高速数字信号处理器(DSP)TMS320VC5509分别完成发送和接收的基带处理算法和帧结构的处理，由ARM7或ARM9微控制器实现整个基带处理***的程序控制。

发送单元由一片TMS320VC5509实现。需要发送的数据由微控制器输入到基带发送处理模块的入口，基带发送处理模块首先将数据进行分组，增加CRC校验比特及经过伪随机序列调制(置乱)。伪随机序列调制使信号“白化”，可以有效地降低一些特殊数据流(例如：周期信号、0比特与1比特比例严重不均匀分布等)的信号输出的功率峰均值比。同时，伪随机序列可以用于作为用户的身份码和保密通信，每一个用户使用唯一的伪随机序列，不同用户之间的通信相互保密。然后输入到RS编码器进行编码。RS编码与深度时间交织电路结合起来，用于抗电力线上存在的、有一定持续时间长度的突发干扰。RS编码交织后的数据流送到第二级编码器——卷积编码器进行编码。卷积编码器输出的比特流通过QPSK调制，经过子载波信号幅度系数调整，完成数据流到OFDM子载波的影射。子载波信号幅度系数调整电路，根据每一个子载波信道的传输特性，调整每一个子载波信道的信号幅度放大系数，从而达到信道自适应的目的，这需要首先发射导引信号序列，获取信道的相关参数，由TMS320VC5509进行计算、分析，然后由子载波系数控制电路进行实时更新子载波信号放大系数。经1024个抽样点的IFFT变换和***循环前缀(CP)，输出给D/A转换电路后，输入到功率放大器。

接收单元由另外一片TMS320VC5509实现。从电力线进入输入放大器的信号，经过A/D变换，将模拟信号转换为数字信号进入基带接收处理模块；基带接收处理模块首先经1024点FFT变换后，一路输入到信道估计、帧定时恢复和调整电路，另一路输入到同步模块，完成OFDM符号同步。Viterbi译码器用于卷积编码的译码，Viterbi译码器到去交织电路和RS译码器，整个过程是对应发送单元的反过程。

假设业务数据传输速率为18kbps，大约需要40kHz的传输频带。首先对端发射导引信号序列，本地端获取信道的相关参数，确定最佳的信号传输频带，假设50kHz～89kHz为最佳的信号传输频带，则数据帧在进行1024点IFFT变换前的载波分配时，QPSK调制数据只分配在50～89分支(bins)上，1～49分支及90～512分支上的数据为零，从而实现零变频和自适应选择最佳频带的目的。

Claims (3)

1.一种零变频和自适应频率选择的电力线载波数据传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

其中信号的发送步骤为：

1)导引帧和同步帧分别由导引序列和同步序列经载波分配和快速傅里叶反变换来实现正交频分复用多载波调制；

2)用户数据经过计算校验比特后得到校验数据，所述校验数据和用户数据一起与一个伪随机码进行异或运算后完成置乱，然后经过里德-所罗门码外码编码、交织编码、卷积码内码编码、差分正交相移键控调制、载波分配和快速傅里叶反变换后实现了数据帧的正交频分复用多载波调制；

3)通过在步骤1)所述导引帧、同步帧和数据帧之间添加循环前缀CP实现帧与帧之间的连接组合，形成信号波形的样值；

4)步骤3)所述样值经过数模转换器后得到模拟信号，再经过功率放大器和耦合保护电路，放大后的模拟信号就被发送到了电力线上；

其中，信号的接收步骤为

5)电力线上的信号经过耦合保护电路后进入电压增益放大器，然后通过模数转换器实现数字采样，再经过快速傅里叶变换后，信号被变换到频域；

6)进行导引确定，帧定时恢复及调整、同步确定、信道估计/频域均衡，并通过自动增益控制算法控制电压增益放大器来实现放大增益的自动调整；

7)经过Viterbi度量计算，Viterbi译码、去交织、RS译码、与PN码进行异或的解乱操作，循环冗余码校验，得到用户数据输出和校验的结果，送到控制模块进行处理。

2.根据权利要求1所述的一种零变频和自适应频率选择的电力线载波数据传输方法，其特征在于，上述步骤2)中载波分配和快速傅里叶反变换进一步采用以下方式：

1)零变频的实现方式：通过设置快速傅里叶反变换的点数以及采样率可以灵活地将通信频带划分为若干个子载波；在进行快速傅里叶反变换变换前的载波分配时，调制数据只分配在对应于40kHz～500kHz的子载波上，其他子载波上的数据为零，从而保证实际应用的频率范围是40kHz～500kHz，无须进行频谱搬移；

2)自适应频率选择的实现方式：本地端通过接收对端发送的已知信号，可以计算出每个子载波的信道条件，选择信道干扰小的子载波发送信号，弃用信道干扰大的子载波。

3.根据权利要求2所述的一种零变频和自适应频率选择的电力线载波数据传输方法，其特征在于，设置的快速傅里叶反变换点数为1024点。

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